維生素D是防治原發性骨質疏松的基礎藥物,而其活性代謝產物才是在體內發揮生物活性作用的主要物質。在骨質疏松癥治療領域中,應用最廣泛的維生素D活性代謝物制劑包括骨化三醇[1,25(OH)2D3,羅蓋全]和阿法骨化醇即lα-(OH)D3,其他還有骨化二醇[25-(OH)D3]、雙氫速甾醇(DHT)也用于治療骨質疏松癥。嚴格地說,阿法骨化醇不是體內維生素D的活性代謝產物,而是一種前體藥物,在肝臟內代謝為具有生物活性的1,25(OH)2D3。
骨化三醇是維生素D生物活性的最高形式
維生素D3又名膽骨化醇,是由皮膚內的7-去氫膽固醇經紫外線照射產生。麥角骨化醇或維生素D2是由紫外線照射植物固醇即麥角甾醇所得。在夏日陽光下,皮膚被照射20~25分鐘合成的膽骨化醇與7-去氫膽固醇和其轉化物光化醇、速固醇達成平衡。骨化醇類通常以國際單位(IU)表示,1 μg膽骨化醇為40 IU,1 μg麥角骨化醇為38 IU,骨化醇為這兩種化學物的統稱。人體中50%以上的維生素D推測是由皮膚產生的。維生素D本身無生物活性,必須經肝臟25-羥化酶作用轉變成25-羥化維生素D3,并進一步在腎臟內由1α羥化酶進行1位羥化,而轉變為維生素D3的活性形式——1,25(OH)2D3,才具有最高的生物活性。許多組織都含有1α羥化酶,它將25-羥化維生素D3轉化成1,25(OH)2D3。皮膚基底細胞、毛囊濾泡細胞、淋巴結、胰、腎上腺髓質、腦、結腸等,通過自分泌和旁分泌形式調節局部1,25(OH)2D3水平,但不影響血液濃度。
25(OH)2D3(25-羥化膽骨化醇)是活性維生素D在血液循環中的一種貯存和轉運形式, 在血漿中的濃度(32/μg/L)為1,25(OH)2D3的1000倍(31 ng/L),基本無生物活性或很低的生物活性,不具有1,25(OH)2D3增加腸鈣吸收、動員骨鈣的能力。治療維生素D依賴型佝僂病時,只需使用生理劑量的1,25(OH)2D3,如使用25(OH)D3需大劑量才可起到治療作用。已知甲狀旁腺素(PTH) 可調節并增加腎1α羥化酶的活性,通過負反饋機制可維持1,25(OH)2D3在嚴格的生理范圍之內。
大多數老年人血漿1,25(OH)2D3水平降低,尤其在65歲以上老年人中。有研究顯示,健康且積極活動老年人的1,25(OH)2D3水平無明顯的增齡改變,而對于住院失去活動能力又未補充維生素D的老年人,血漿1,25(OH)2D3水平則顯著降低。1,25(OH)2D3增齡性的下降與維生素D結合蛋白(DBP)、25(OH)D3(即維生素D營養缺乏)和雌激素缺乏,腎1α羥化酶活性降低或1,25(OH)2D3的代謝清除有關。
活化的維生素D通過靶器官的維生素D受體(VDR)發揮作用,按與腸道VDR結合力比較,1,25(OH)2D3是25(OH)D3的500~1000倍。阿法骨化醇[1α(OH)D3不是維生素D在體內的代謝產物,系人工合成制劑,在體內需轉化為1,25(OH)2D3才能發揮其生物活性作用,一次口服2 μg,4~12 h后血清1,25(OH)2D3約可升高達峰濃度,24h平均升高約8 ng/L。若以1,25(OH)2D3單劑口服,4~8h后血藥濃度達峰值,24 h回復到基線水平,如果1次口服0.5 μg,2~6 h后腸鈣吸收即可增加。
骨化三醇是骨代謝的重要激素
1,25(OH)2D3是固醇類激素的家族成員,已被確認為腎臟分泌的一種激素或稱D-激素,具有構成內分泌系統激素的4個關鍵成分。維生素D的生物活性作用主要是通過1,25(OH)2D3與靶器官組織細胞核上的VDR相互作用而產生功效,同時也通過膜VDR的非基因途徑來發揮其快速的生物活性作用。
VDR主要存在于腸、甲狀旁腺和骨這些經典靶器官細胞中,也廣泛存在于其他器官。因此,VDR的功能本質上亦反映了1,25(OH)2D3的功能。細胞VDR水平受1,25(OH)2D3和其他類固醇激素包括雌激素、糖皮質激素和PTH的影響。VDR的不同基因型可能與骨量的峰值有關,VDR BB基因型可降低VDR的RNA水平,而低水平的VDR會降低鈣吸收的能力。VDR基因型和骨量、骨質疏松有一定關系。
在不同靶組織上1,25(OH)2D3有不同的功能。腸道1,25(OH)2D3通過VDR核受體合成鈣結合蛋白(Calbindin)-9K和28K來增加主動轉運和促進鈣吸收;骨組織1,25(OH)2D3通過刺激骨細胞分化和堿性磷酸酶、骨鈣素、骨橋蛋白和膠原的合成(體外實驗中膠原合成隨成骨細胞密度、時間、分化階段不同而有差異),抑制骨吸收細胞因子的產生,如白細胞介素(IL)-la、腫瘤壞死因子(TNF)α等。體外實驗表明,1,25(OH)2D3增加轉化生長因子(TGF)β水平,而TGF-β是刺激成骨細胞增殖和分化的重要因子,因此1,25(OH)2D3有促骨形成作用。在體外實驗中,大劑量1,25(OH)2D3可促進破骨細胞分化,而在體內生理劑量時可通過增加鈣的吸收和抑制PTH的分泌而抑制骨吸收。甲狀旁腺1,25(OH)2D3直接作用于甲狀旁腺細胞,抑制PTH的分泌。
有研究顯示,維生素D受體基因(VDRG)多態性與骨礦密度(BMD) 相關。具有VDR BB型者常顯示BMD低,血清骨鈣素高;而bb型則表現為BMD高,血清骨鈣素低。另有研究則認為VDRG與BMD無關。對日本,中國香港、臺灣、上海、北京等地人群的研究顯示,VDR基因型的表現頻率與白人婦女有顯著差異。VDRG與鈣吸收有關,如bb型者的腸道鈣吸收率優于BB型者。
VDRG與藥物療效有關。研究者對BbAATt、BbAaTt、bbAaTT和bbaaTT4種VDR基因型進行比較,結果顯示,在服用阿法骨化醇1μg/d加鈣400 mg后,bbaa型和bbAa型者的BMD分別增加了2%和1.3%,BbAA和BbAa型者則下降了1.0%。若僅服阿法骨化醇0.5 μg/d,bbaa型者的BMD明顯增加,而BbAA型者則有所降低,表明不同基因型對活性維生素D的敏感性也不同。
骨化三醇對骨代謝的調節作用
種骨轉換的失衡,其中涉及成骨和破骨兩大細胞群,而1,25(OH)2D3在骨吸收和形成代謝過程中起著雙向調節作用。
(一)對骨形成的作用
1. 間接作用
活性維生素D可促進腸鈣吸收,提高血鈣濃度,使鈣在骨中沉積,給骨礦化提供原料是其對骨形成的間接作用。
2. 直接作用
成骨細胞是活性維生素D作用的重要靶器官,1,25(OH)2D3不論在體內和體外都具有調節成骨細胞的分化和活性作用,且來源不同的成骨細胞也有不同反應。體外培養顯示,1,25(OH)2D3可修飾成骨細胞的分化通路,對分化狀態不同期的成骨細胞具有選擇性作用。
在培養人成骨細胞時,1,25(OH)2D3對相對處于成熟階段的細胞更具正性作用,并增加骨鈣素和堿性磷酸酶的表達,但卻抑制骨涎蛋白的表達,亦可促進處于成熟后期成骨細胞I型膠原的表達,對基質細胞也具有促增殖作用。1,25(OH)2D3可激活多種信息途徑,上調或下調與成骨細胞增殖和分化相關的基因表達,同時也可增加TGF-β的合成及胰島素樣生長因子(IGF)-1受體的數量,通過相應基因的啟動、轉錄而對堿性磷酸酶、骨鈣素、骨橋蛋白等起上調作用。對于I型膠原,1,25(OH)2D3則因細胞密度、使用時間和濃度的不同而起抑制和刺激合成的作用。1,25(OH)2D3可促進相對不成熟成骨細胞的合成,但可抑制較成熟成骨細胞和骨涎蛋白的合成,并下調PTH、PTH相關肽(PTHrP)、降鈣素、IL-2、1α羥化酶。這些成骨細胞合成的基質和蛋白不僅保證了骨組織膠原纖維的礦化,還可增加骨質量所必需的成分。成骨細胞數量不足和功能缺陷在骨質疏松癥中所起作用較過去設想的重要得多。1,25(OH)2D3是青春期骨加速生長的一個重要刺激因子,也是骨量峰值形成的關鍵因子和佝僂病患兒生長落后的原因。對于老年人,骨重建特別是成骨細胞活力的維持是骨質量和骨機械穩定性能的保障。
(二)對骨吸收(破骨)的作用
1. 間接作用
破骨細胞功能的激發主要來自對成骨細胞產生的某些破骨細胞活化因子作出的應答,維生素D活性產物在刺激成骨細胞時還能促進破骨細胞分化,使前成骨細胞發育成具有促進骨吸收作用的成熟破骨細胞,體現了其促進骨吸收的間接作用。目前已知1,25(OH)2D3作用于成骨細胞,促使產生破骨細胞分化因子即ODF,又稱核因子一κB活化受體(RANK)配體(RANKL)、腫瘤壞死因子相關活化誘導細胞因子(TRANC)和骨保護素配體(0PCL),從而促進了破骨細胞的發育。
2. 直接作用
在成熟的破骨細胞上無1,25(OH)2D3受體,而其前體細胞上則有此受體。1,25(OH)2D3促進前體破骨細胞向成熟破骨細胞分化,其后通過對成骨細胞的作用,在ODF作用下,募集起無骨吸收活性的破骨細胞,并使其發育為具有骨吸收活性的破骨細胞,從而增加破骨細胞數量,增加骨吸收。
(三)對腸鈣吸收的作用
從十二指腸到結腸的腸黏膜細胞中都有1,25(OH)2D3受體,其分布在十二指腸最密,至下腸道逐漸減少。在基礎狀態,正常成人空腸部位的凈鈣吸收是回腸的3倍。若給予1,25(OH)2D31周后,空腸和回腸的鈣吸收率均顯著增加,而且回腸的鈣吸收率可達到空腸的水平。結腸在1,25(OH)2D3作用下鈣吸收率也會明顯增加,這對保證小腸切除后患者的鈣吸收具有重要意義。
鈣從小腸進入細胞外液的主動轉運主要通過1,25(OH)2D3誘導的鈣結合蛋白來加以調節。腸鈣吸收的效率隨年齡增長而降低,即年齡增加可降低食物鈣吸收的效率,這與1,25(OH)2D3水平相對低下、腸道細胞內1,25維生素D受體缺乏及其他鈣主動性吸收機制紊亂有關。與年齡增長相關的鈣吸收障礙導致了繼發性甲狀旁腺功能亢進癥,并伴有骨丟失。重要的是,鈣吸收不良可被1α(OH)D3或骨化三醇糾正,而與特殊的內在原因和患者年齡無關。
鈣結合蛋白有兩個主要類型,分別為分子量28 ku的Calbindin 28K(CaBP28k)和分子量為9 ku的Calbindin 9K(CaBP9K,ICaBP)。在哺乳動物,CaBP 28K主要分布于腎、腦、胰,CaBP 9K主要分布在腸壁。在去卵巢大鼠因雌激素減弱造成的骨質疏松模型中,其小腸黏膜中CaBP9K mRNA表達明顯下降,補充雌激素則可增加腸壁細胞對1,25(OH)2D3的反應或直接提高CaBP9K的表達,從而以直接或間接方式參與調節腸鈣吸收。臨床上絕經后并有嚴重肝臟疾病的患者,加用雌激素替代治療可改善單用鈣劑及維生素D治療無效的低鈣血癥。
(四)通過細胞因子和其他途徑對骨代謝的調節作用
在老年性骨質疏松癥(SOP)中常出現骨吸收增加但不伴骨形成增加。相反,升高的PTH可刺激IGF結合蛋白(IGFBP-4)分泌增加,后者對IGF-1和IGF-2有抑制作用。1,25(OH)2D3缺乏可減少TCF-β的分泌,這些因素抑制了成骨細胞的產生、分化和代謝。不論男性還是女性SOP患者,在股骨頸皮質骨和骨小梁中,IGF-1和TGF-β均有增齡性減少,這與骨折危險增加有關。
IGFBP-3和IGFBP-5可增加IGF-1和IGF-2促骨有絲分裂的強度,在老年人中其含量減少,而抑制IGF的IGFBP-4卻增多。老年人的成骨細胞對全身和局部的骨代謝因子反應低下,這對SOP有特殊意義,這與IGFBP-4有關。與雌激素相同,IGF-1在腎臟是1α羥化酶系統激活活性維生素D代謝的重要輔助因子,IGF-1還控制VDR基因的表達,換言之,IGF-1、IGF-2和1,25(OH)2D3激素缺乏使肌肉強度明顯減弱,易致跌倒,增加骨折危險。1,25(OH)2D3還通過對PTH的調節發揮其對骨代謝的調節作用。
骨化三醇是防治骨質疏松的一種基礎藥物
中華醫學會骨質疏松和骨礦鹽疾病學會公布的“原發性骨質疏松診療指南”指出,維生素D是骨質疏松癥預防和治療措施中骨健康的基本補充劑,指南中還提到老年人更適宜選用活性維生素D制劑。不論在絕經后骨質疏松癥(PMOP)或SOP都存在1,25(OH)2D3代謝和生物活性的失常。
與通常服用的普通維生素D和鈣劑推薦劑量不同,活性維生素D可減少PMOP快速骨丟失,矯正腸鈣吸收,增加降鈣素分泌,使骨轉換的偶聯正常化,抑制骨吸收細胞因子的釋放(尤其是TNF-α),增加CD8,矯正CD4/CD8在骨快速丟失時增加的比例。
SOP的發病機制中,除性激素(雌激素或雄激素)、生長因子[生長激素(GH)或IGF]缺乏外,腎和骨內的lα羥化酶活性降低造成的1,25(OH)2D3合成減少也很重要,同時靶器官內VDR數量減少或對1,25(OH)2D3的親和力減弱(胃腸道、甲狀旁腺)也是機制之一。臨床證據表明,SOP患者滴注PTH可提高1α羥化酶的活性。老年人腸鈣吸收降低,原因是老年人食量普遍減少及1,25(OH)2D3合成減少,此外腎臟隨年齡增加而萎縮,同時激活1α羥化酶的輔助因子如雌激素或雄激素、IGF及其IGF結合蛋白(ICFBP-4↑,IGFBP-3/5↓)減少。1,25(OH)2D3缺乏可使TGF-β分泌減少。SOP還與繼發性甲狀旁腺功能亢進有關。為了維持維生素D活性,器官需要更多PTH。70歲以上的SOP患者,PTH增高可致骨轉換加劇及骨吸收增加,尤其在股骨頸處的皮質骨,從而導致皮質骨內穿孔和微骨折,因此骨折危險增加。
骨化三醇促進腸鈣吸收遠較普通維生素D和25(OH)D3快。人體試驗顯示,服用骨化三醇單劑0.5 μg后2~6 h,腸鈣吸收率快速增加,4~8 h達峰濃度,24 h返回基線,生物活性作用可持續7~8天。在英國、澳大利亞、意大利、日本、新西蘭等16個國家中,骨化三醇已被列為國家批準防治骨質疏松的藥物。
骨化三醇0.25 μg/d即可發揮其促腸鈣吸收作用,小于0.5 μg/d不會引發高鈣血癥,但0.5~1 μg/d 可導致高鈣血癥。骨化三醇0.5 μg/d的作用為抗骨吸收;而0.25 μg/d對空腹尿鈣排泄率的影響小,但隨劑量增加而影響增加;大劑量2 μg/d可增加尿羥脯氨酸排泄率,提示加速了骨吸收。
許多臨床研究顯示,骨化三醇對多數PMOP患者有良好的作用。如椎骨骨折患者服用小于0.5 μg/d的骨化三醇,6~8周后鈣平衡提高,骨活檢示骨吸收降低,治療12個月可降低椎骨骨折率。 Gallagher和Riggs應用骨化三醇0.5 μg/d+鈣640 mg/d與安慰劑比較,結果顯示治療組絕經后婦女椎骨骨折發生率明顯降低。Ott在早期研究中提出,骨化三醇無效可能與使用劑量太低(僅0.4 μg/d)有關,改服>0.5 μg/d后,BMD增加,骨折危險降低。Tilyard應用骨化三醇0.5 μg/d,連續3年,與每日服用1 g鈣劑作比較。結果顯示,662例患者均有1個以上椎體發生骨折,但骨化三醇組第2年的新發椎骨骨折率下降了70%。 Borman等對長期接受糖皮質激素吸入劑伴骨質疏松的哮喘患者應用骨化三醇。結果顯示1 年后,鈣劑組(l000 mg/d)較骨化三醇組(0.25 μg,bid)患者的腰椎BMD顯著降低,而骨化三醇組未見降低。Holzherr等觀察PMOP患者的腸鈣吸收能力,單用激素替代(HRT)治療組腸鈣吸收明顯降低,而加服羅蓋全組(0.25 μg,bid)則明顯增加,建議接受激素補充治療(HRT)的PMOP患者都應加用骨化三醇。
骨化三醇劑量不超過0.5 μg時可安全安全。Tilyard研究中納入的200名婦女服用骨化三醇0.5 μg/d 3個月,結果無l例受試者發生腎臟鈣沉積。因此臨床醫生要注意鈣攝入量,否則可致高鈣血癥或高鈣尿癥。1,25(OH)2D3攝入后15%以糖苷的形式從尿中排出,65%在降解后經膽汁由糞便排出。
1,25(OH)2D3改善神經-肌肉協調性,增強肌力,降低跌倒發生率
血清維生素D水平低和PTH水平高可導致肌肉代謝或功能障礙。在人體骨骼肌中存在大量VDR,肌肉軟弱是長期缺乏維生素D的基本特征。維生素D缺乏一般可增加PTH水平,而高水平PTH可成為肌肉功能失調的獨立致病因子。
一項老年人缺乏或接近缺乏維生素D的隨機、對照研究表明,維生素D濃度可改善患者體力,尤其是虛弱的居家或跌倒的老年患者、維生素D缺乏的社區老年婦女、長期住院或護理院的老年人,補充維生素D后在體力、反應敏捷度、平衡、身體晃動方面均可獲得改善,同時跌倒發生率降低。該研究同時還觀察到血清高水平PTH是增加跌倒的獨立危險因子。維生素D缺乏的老年人[25(OH)D3 <10 ng/ml]肌軟弱 (即肌力下降達40%,肌肉重量減少達3%)的發病率是血維生素D水平較高者[25(OH)D3>20 ng/ml]的2倍。對BMD正常、年齡在65~77歲的老年婦女為期3年的觀察表明,口服骨化三醇組跌倒發生率明顯低于安慰劑組、雌激素組和雌激素加羅蓋全組。在一項隨機雙盲對照研究顯示,受試者分別口服25(OH)D3和1,25(OH)2D3后下肢肌力明顯增強,且跌倒發生率明顯下降。在最近報道的包括5項隨機、對照臨床研究的薈萃分析表明,接受維生素D或活性維生素D治療的老年人的跌倒危險降低20%。有關維生素D與肌肉功能的研究樣本數一般較小(65~400例)。2006年Faulkner對9526例社區老年婦女進行研究,受試婦女的年齡為67~75歲,其中389例還接受了血清25(OH)D3、1,25(OH)2D3和PTH的檢測。連續4年的觀察結果顯示,這些婦女的跌倒發生率與血清1,25(OH)2D3水平有關,處于 1,25(OH)2D3水平四分位上限者較處于四分位下限下者跌倒發生率降低30%,跌倒幾率與血清25(OH)D3、PTH無關,提示應用1,25(OH)2D3或其類似物治療可能較其他維生素D更有預防跌倒的潛力。
1,25(OH)2D3是發現新型活性維生素D的前體
自從發現了1,25(OH)2D3的激素作用后,許多科學家相繼進行實驗并合成出一些無升血鈣作用的維生素D類藥物,其中EBl089、MC903和E71是目前最成功的維生素D同類物。Deluca強調,要謹慎評價在實驗條件下合成藥物的作用,同時還指出闡明VDR及24-羥化酶的三維結構可能有助于開發更安全、有效的維生素D同類物。
朱漢民 1961年畢業于上海第二醫學院醫療系本科,現任復旦大學附屬華東醫院骨質疏松防治研究中心主任。朱教授長期從事內科臨床工作,1982年后專注于老年醫學研究,尤其是老年性骨質疏松的臨床研究。1996年被聘為上海醫科大學內科教授,老年醫學碩士導師,近20多年來,對骨質疏松診斷和防治進行了深入研究,先后承擔國家“九五”攻關、衛生部、市科委12項有關骨疏松的研究,開發了多種臨床應用藥物,曾發表論文100余篇,主編、參編書籍20余部,另外還獲得了上海市科技進步二、三等獎多項,中國老年學會十年優秀成果獎等。
